摘要：數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是通信領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，近年來發(fā)展非常迅速?；陔娦啪W(wǎng)絡(luò)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在中國已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但就接入方式而言，只是定義了可以使用無線方式，如何組建無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是未來研究的重點(diǎn)。文章提出了無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)泛在接入概念，給出了無線泛在接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并就其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，包括感知無線電、無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)網(wǎng)絡(luò)理論、通用接入點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)換機(jī)制、業(yè)務(wù)的QoS保障機(jī)制以及電磁兼容和異構(gòu)系統(tǒng)共存機(jī)制等。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)；泛在接入；感知無線電；無線網(wǎng)狀網(wǎng)

Abstract: Digital home networks， an important communications branch， have been developing rapidly in recent years. Digital home network architecture based on telecommunication networks has been standardized in China. However， only the wireless access mode has been defined for access to digital home networks. How to establish wireless digital home networks is a research focus in the future. This paper proposes the concept of ubiquitous access to wireless digital home networks， and presents architecture of the wireless ubiquitous access network. Moreover， it analyzes the key techniques for implementing wireless ubiquitous access， including cognitive radio， wireless mesh， link transfer mechanism of generic access points， QoS guarantee mechanism， and Electromagnic Compatibility (EMC) and co-existence of heterogeneous systems.

Key words: wireless digital home network; ubiquitous access; cognitive radio; wireless mesh network

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會已經(jīng)從工業(yè)社會進(jìn)入信息社會，信息社會對人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響，它改變著我們的行為、思維方式，20世紀(jì)80年代初美國學(xué)者托夫勒在其著作《第三次浪潮》中就預(yù)言信息社會中人們的生活中心將從工業(yè)社會的以社會為核心回歸以家庭和個(gè)人為核心^[1]，從通信領(lǐng)域來看，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)將成為熱點(diǎn)，在信息社會中具有重要的地位。

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是為了滿足用戶的某些需求而組建的，為用戶提供一定業(yè)務(wù)與應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。用戶的需求可以是有限范圍內(nèi)多個(gè)設(shè)備之間的信息流通，也可以是有限范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備與公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息流通，甚至可以是有限范圍內(nèi)的所有設(shè)備之間以及這些設(shè)備與公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息流通。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)可以基于無線也可以基于有線架構(gòu)，需要注意的是，寬帶無線接入在全球不斷升溫，近幾年來中國的寬帶無線用戶數(shù)增長勢頭也十分強(qiáng)勁。作為寬帶無線接入的研究重點(diǎn)，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)擁有廣闊的市場空間。據(jù)In-Stat/MDR公司預(yù)測，家庭網(wǎng)絡(luò)市場將于2007年增長至53億美元，在這個(gè)市場內(nèi)，家庭多媒體無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將占據(jù)大約49%的份額，即26億美元^[2]。

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)采用無線接入方式有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著家用電氣、移動設(shè)備和電腦設(shè)備技術(shù)不斷更新和提高，三者之間的無縫交互，消費(fèi)者在家電、移動設(shè)備和電腦設(shè)備上獲取、查看和管理越來越多的數(shù)字媒體內(nèi)容，在家中不同的地方通過不同的設(shè)備輕松便捷地欣賞媒體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢。無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)具有短程特性，更關(guān)注最后10 m的接入，它將以超寬帶(UWB)作為高速短程無線通信技術(shù)的核心，這樣能夠保證家庭環(huán)境下的消費(fèi)電子、辦公設(shè)備、計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備和移動通信終端等通信速度。但是，只是具有鏈路間的高速傳輸速度，無法保證能夠組建一個(gè)高速的無線數(shù)據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)，必須定義其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和媒體介入層的相關(guān)協(xié)議。

1 無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)研究和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

從無線空中接口來看，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)屬于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的接入子網(wǎng)，從其無線通信的距離來看，屬于短程無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)的技術(shù)范疇。對于短程無線個(gè)域網(wǎng)來說，目前主要側(cè)重使用超寬帶(UWB)技術(shù)來提供短程的高速信息傳輸，也可以用來提供測距和定位等功能。超寬帶技術(shù)相對于擴(kuò)頻通信等傳統(tǒng)窄帶和寬帶通信方式而言是一種全新的通信方式，從信號的產(chǎn)生角度看，超寬帶技術(shù)可以不采用正弦波將基帶信號調(diào)制到信道上，而采用基帶信號直接激勵天線發(fā)射超短時(shí)寬的沖激脈沖，以時(shí)域窄脈沖作為信息載體。目前，UWB主要有兩種通信技術(shù)，一種為基于窄脈沖的超寬帶技術(shù)，主要由Motorola等公司倡導(dǎo)；另一種為類似于正交頻分技術(shù)的脈沖化多波超寬帶技術(shù)，主要由Intel公司倡導(dǎo)。但這兩種超寬帶通信技術(shù)中國并不具有自己的知識產(chǎn)權(quán)，而且其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用還沒有成熟，相反，沖激脈沖型的UWB技術(shù)中國具有一定的知識產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢，并且就沖激脈沖型UWB技術(shù)本身而言，具有數(shù)據(jù)傳輸率高，定位精確等特點(diǎn)，能支撐更多的業(yè)務(wù)類型。超寬帶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要在IEEE 802.15工作組進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一個(gè)是極短程、極高數(shù)據(jù)率的802.15.3a協(xié)議，另一個(gè)是較長距離、低數(shù)據(jù)率的802.15.4a協(xié)議。

藍(lán)牙技術(shù)是另一種目前使用較廣泛的無線通信方式，是一種實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，使各種設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。其標(biāo)準(zhǔn)工作主要由藍(lán)牙特別興趣組(Bluetooth SIG)完成，傳輸頻段為全球公眾通用的2.4 GHz免許可證頻段(ISM)，提供1 Mb/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離。

還有一種主要的短程無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)是Zigbee技術(shù)。Zigbee是一種新興的短程、低功率、低速率無線接入技術(shù)。它工作于無需注冊的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為10～250 kb/s，傳輸距離為10～75 m。它看起來更接近于藍(lán)牙，但比藍(lán)牙更為簡單，具有更低的傳輸速率和功率消耗，且大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式，更加適用于那些不需要實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新的場合，如工業(yè)控制領(lǐng)域和傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的主要支持者聯(lián)合起來成立了Zigbee聯(lián)盟，共同推進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，該聯(lián)盟目前已有70個(gè)成員。該聯(lián)盟7個(gè)最初的發(fā)起企業(yè)是：Emer、Honeywell、Invensys、三菱、摩托羅拉、三星和飛利浦。Zigbee是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展集，802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制訂物理層及媒體訪問控制(MAC)層的協(xié)議，Zigbee定義了應(yīng)用層和安全方面的規(guī)范，使得來自不同廠商的設(shè)備可以相互對話。

其他具有發(fā)展?jié)摿Φ亩坛虩o線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括：短距通信(NFc)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。這些技術(shù)或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊需要，或著眼于功能的擴(kuò)充性，或符合某些單一應(yīng)用場景的要求，或滿足競爭技術(shù)的差異化等。表1給出了3種主要短程無線通信技術(shù)的特性。

目前，支持短程無線個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)主要是IEEE 802.15系列，它是為特定的無線短程無線通信網(wǎng)絡(luò)，即無線個(gè)域網(wǎng)，所量身定制的標(biāo)準(zhǔn)，雖然目前該標(biāo)準(zhǔn)還沒有成熟。1998年IEEE 802.15工作組成立，主要致力于研究個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化問題。根據(jù)數(shù)據(jù)速率、功耗以及對服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求的不同，IEEE 802.15工作組定義了3種不同類型的無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是傳輸速率高于20 Mb/s的高速無線個(gè)域網(wǎng)(HR-WPAN)、傳輸速率1 Mb/s的中速無線個(gè)域網(wǎng)(MR-WPAN)和傳輸速率比較低的低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)。IEEE 802.15工作組還成立了專門的任務(wù)組分別對他們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。IEEE 802.15.1是IEEE提出的第一個(gè)取代有線連接的無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，屬于中速短程無線通信網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802.15.2于1999年成立，主要目標(biāo)是為IEEE 802.15無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)發(fā)展推薦應(yīng)用。它可以與基于開放頻率波段的其他無線設(shè)備(如IEEE 802.11設(shè)備)共存。為其他802.15標(biāo)準(zhǔn)提出修改意見以提高與其他在開放頻率波段工作的無線設(shè)備的共存性能。IEEE 802.15.3的目標(biāo)在于得到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，取得低成本和低電能消耗，同時(shí)還與藍(lán)牙兼容，為低功率、低成本的短程通信制訂高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。此外，工作組3a(TG3a)進(jìn)行IEEE 802.15.3超高速WPAN物理層可選標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，用以替代高速WPAN的物理層，超寬帶(UWB)技術(shù)目前為其主要考慮的技術(shù)。對于一些只需要簡單的無線連接的應(yīng)用領(lǐng)域，對數(shù)據(jù)速率的要求不高，對功耗的要求則更為嚴(yán)格，如工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.15.4工作組由此應(yīng)運(yùn)而生。工作組研究定位于低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用設(shè)備，為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供綜合的網(wǎng)絡(luò)解決方案。工作組4(TG4)主要負(fù)責(zé)制訂物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

需要注意的是，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的無線應(yīng)用領(lǐng)域，對滿足家用市場需求的無線技術(shù)尚在不斷的探尋之中。目前，中國的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已經(jīng)正式開始對基于電信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括家庭網(wǎng)絡(luò)支持的電信類業(yè)務(wù)、家庭網(wǎng)絡(luò)的參考模型、家庭網(wǎng)絡(luò)功能要求、家庭網(wǎng)絡(luò)的媒體格式、家庭網(wǎng)絡(luò)的編號及地址、家庭網(wǎng)絡(luò)的性能設(shè)備的電磁兼容(EMC)要求、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備環(huán)保要求等，但無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作還沒有啟動。

2 無線數(shù)字家庭接入技術(shù)

2006年2月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)批準(zhǔn)了《基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求》和《基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)要求——家庭網(wǎng)關(guān)》兩項(xiàng)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿。在這兩份報(bào)批稿中，對基于電信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)定義，闡述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的功能，并就其支撐的業(yè)務(wù)進(jìn)行了探討。在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，對于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)來說，其接入方式可以是無線的也可以是有線的^[3]。從未來通信技術(shù)的發(fā)展來看，無線寬帶接入是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向。由于目前的標(biāo)準(zhǔn)還沒有討論無線接入技術(shù)，下面提出一種適合數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的無線泛在異構(gòu)接入架構(gòu)，并闡述其中的關(guān)鍵技術(shù)。

對于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的無線接入承載環(huán)境，這里稱為微微網(wǎng)。圖1所示的無線終端可以是單?；蚨嗄９?jié)點(diǎn)，支持單一或多種不同無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)物理層接入模式。其中同構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)的無線終端接入所在微微網(wǎng)內(nèi)的專用接入點(diǎn)，網(wǎng)內(nèi)通信可以采用點(diǎn)對點(diǎn)或采用專用接入點(diǎn)中繼的方式；而異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)的無線終端接入所在微微網(wǎng)內(nèi)的通用接入點(diǎn)。網(wǎng)內(nèi)同構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的通信可以采用點(diǎn)對點(diǎn)或采用通用接入點(diǎn)中繼的方式，網(wǎng)內(nèi)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的通信由通用接入點(diǎn)提供中繼。

專用接入點(diǎn)具備同構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)控制功能，通用接入點(diǎn)具備異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)分布式通信功能，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)間可以通過有線或無線的方式進(jìn)行異構(gòu)互連和協(xié)同應(yīng)用。專用/通用接入點(diǎn)均可自適應(yīng)地處理時(shí)域、頻域、碼域、空域信號，精細(xì)調(diào)度頻譜資源，同時(shí)提供對外以有線或無線的方式高速接入分組核心網(wǎng)的服務(wù)，從而與未來移動核心網(wǎng)絡(luò)(B3G/4G)互為支撐，統(tǒng)一享有通用IP多媒體子系統(tǒng)(GIMS)的服務(wù)。

GIMS能夠通過采用IP多媒體應(yīng)用為任何狀態(tài)的用戶提供語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，支持與現(xiàn)有的固定/移動語音和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(如PSTN、Internet)等進(jìn)行互通，從而形成全I(xiàn)P多媒體核心網(wǎng)。為了滿足不同業(yè)務(wù)和外部接口的需要，GIMS由以下幾個(gè)功能模塊組成：歸屬用戶服務(wù)器(HSS)、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)、多媒體資源功能代理(MRFP)、媒體網(wǎng)關(guān)功能(MGF)、安全功能模塊、QoS功能模塊、會話啟動協(xié)議(SIP)服務(wù)器等。

基于該整體網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)支撐的業(yè)務(wù)和服務(wù)、終端節(jié)點(diǎn)物理層技術(shù)以及通信需求不同，可能的應(yīng)用場景包括：

(1)同構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信

此時(shí)專用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)其所在微微網(wǎng)內(nèi)與各終端節(jié)點(diǎn)間信令信息的控制，并根據(jù)物理層技術(shù)的不同支持，保證兩個(gè)同模終端節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信或由專用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸。

(2)異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信

異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信時(shí)通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)其所在微微網(wǎng)內(nèi)與各終端節(jié)點(diǎn)間信令信息的控制，并根據(jù)物理層技術(shù)的不同支持，保證兩個(gè)同模終端節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信或由通用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸，以及兩個(gè)異模終端節(jié)點(diǎn)由通用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸。

(3)同構(gòu)微微網(wǎng)間通信

此時(shí)專用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)跨微微網(wǎng)的同構(gòu)終端節(jié)點(diǎn)間通信，其功能包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)路由、資源分配和調(diào)度，以及分布式功控等。

(4)異構(gòu)微微網(wǎng)間通信

此時(shí)通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)不同接入模式的終端節(jié)點(diǎn)在異構(gòu)微微網(wǎng)間的通信，可以采用無線或有線的方式。

無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)及分布式控制機(jī)制將會為用戶提供一個(gè)通用的業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，滿足用戶隨時(shí)隨地的不同需要的多元化業(yè)務(wù)需求。無線移動通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合將使得不同形態(tài)不同組織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，這種協(xié)同式的服務(wù)并非簡單的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，而是通過不同網(wǎng)絡(luò)的差異和互補(bǔ)性來實(shí)現(xiàn)資源的有效整合，使其充分發(fā)揮局部優(yōu)勢，為用戶提供無處不在的人性化的服務(wù)。從協(xié)議棧的角度看，異構(gòu)泛在無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)議框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)層基于異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使用分布式Mesh路由機(jī)制。這種技術(shù)比起傳統(tǒng)的點(diǎn)對多點(diǎn)通信技術(shù)具有諸如節(jié)能、自配置、自愈性和易擴(kuò)容等很多優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)鏈路層之上使用通用鏈路層，它的主要作用包括：

(1)作為多種接入技術(shù)匯聚子層，對上層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽下層多種接入環(huán)境。

(2)控制和補(bǔ)充各種接入技術(shù)的MAC層功能，即盡可能地有效利用多系統(tǒng)無線資源管理分配的無線資源。

控制部分使用多系統(tǒng)間的分布式無線資源管理，有效利用無線資源，保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的多種業(yè)務(wù)的QoS。同時(shí)考慮功率控制、網(wǎng)絡(luò)安全信息等的管理。在這種異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，需要采用一些關(guān)鍵技術(shù)，比如感知無線電技術(shù)、無線Mesh技術(shù)等等。

2.1 感知無線電

感知無線電(CR)技術(shù)是軟件無線電技術(shù)的演化，是一種新的智能無線通信技術(shù)，它具有智能性，能夠使無線設(shè)備及其天線感知其所處的射頻(RF)環(huán)境，并在必要時(shí)調(diào)節(jié)所使用的頻帶以避免發(fā)生干涉，從而指導(dǎo)軟件定義無線電(SDR)選擇正確的執(zhí)行方式和參數(shù)。

感知無線電的基本原理在于傳輸信號時(shí)，首先要分析無線傳輸場景。在無線場景下發(fā)送端產(chǎn)生的激勵一般都是非穩(wěn)態(tài)的空時(shí)信號，過程主要由空時(shí)處理完成。在接收端，通過判斷不同頻段下的干擾大小，檢測干擾小的可用頻段，并且做出對一些傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的判決。接收端所有的這些信息然后反饋到發(fā)送端，用于控制發(fā)信信號的功率和占用的頻譜等。另外，對于時(shí)分復(fù)用模式，考慮到無線信道的互易性，可以應(yīng)用自適應(yīng)天線波束形成技術(shù)進(jìn)行干擾抑制。

在無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，由于物理層一般可使用UWB設(shè)備，它具有占用寬帶寬的特色，通過使用感知無線電技術(shù)，進(jìn)行動態(tài)頻譜分配，調(diào)整射頻端的發(fā)射功率，從而避免強(qiáng)的干擾，提高泛在網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。

2.2 無線網(wǎng)狀網(wǎng)

對于無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)來說，各種終端將組成一個(gè)分布式無線網(wǎng)絡(luò)。在目前的分布式網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望給無線寬帶領(lǐng)域帶來重大變革。在無線Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，因此是一種自組織和自管理的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)更像是Internet本身的一種無線版本，分組數(shù)據(jù)從一個(gè)路由到另一個(gè)路由進(jìn)行傳遞直至到達(dá)其目的地。這些特點(diǎn)使無線Mesh網(wǎng)絡(luò)比起傳統(tǒng)的點(diǎn)對多點(diǎn)通信網(wǎng)具有諸如節(jié)能、自動配置和易擴(kuò)容等優(yōu)勢，很多公司如諾基亞公司、北電公司等開始將無線Mesh技術(shù)用于寬帶網(wǎng)絡(luò)接入(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11n)，并且相關(guān)的無線路由器等產(chǎn)品也已開始商用^[4]。

目前，無線Mesh仍處于關(guān)鍵技術(shù)研究與初步應(yīng)用階段，在IEEE 802各無線接入標(biāo)準(zhǔn)化組織中都有涉及，IEEE 802.15已成立了無線個(gè)域網(wǎng)Mesh工作組(TG5 WPAN Mesh Networking)。無線Mesh技術(shù)應(yīng)用于基于UWB、藍(lán)牙或其他接入技術(shù)的異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)互通，其潛在優(yōu)勢和可能取得的技術(shù)性突破包括：

·通過中繼拓展無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

·可用帶寬隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而增加，從而提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量。

·初期建設(shè)費(fèi)用低，無需復(fù)雜中繼基礎(chǔ)設(shè)施的安裝。

·網(wǎng)絡(luò)具有可伸縮性，易擴(kuò)容。

·分布式自配置、自組織。

·多路由選擇，增強(qiáng)系統(tǒng)柔韌性和自愈能力。

2.3 通用接入點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)換機(jī)制

在異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)中，通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)不同模式的無線家庭網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳遞與轉(zhuǎn)發(fā)，因而通用接入點(diǎn)需要具備與不同無線家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的功能，同時(shí)還要具備與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能(有線或無線方式)。通用接入點(diǎn)應(yīng)被設(shè)計(jì)為可軟件配置的多模設(shè)備，支持與多個(gè)無線家庭網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)通信。目前解決方法為，在物理層和MAC層之上，加入通用鏈路層(GLL)，如圖3所示。

GLL主要以完成如下功能：

·對上層協(xié)議(如IPv6)提供統(tǒng)一接口。

·進(jìn)行不同無線家庭通信網(wǎng)絡(luò)間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)映射，以支持不同無線家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通信。

·支持動態(tài)的無線家庭網(wǎng)絡(luò)接入及選擇機(jī)制。

·模塊化的結(jié)構(gòu)，以支持新的無線家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

由于不同網(wǎng)絡(luò)MAC標(biāo)準(zhǔn)有很大差異，表現(xiàn)在：首先，物理幀結(jié)構(gòu)不同，使得依賴于幀長及微時(shí)隙的調(diào)度時(shí)間等級會有很大差異；其次，同樣由于幀結(jié)構(gòu)的差異，不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的MAC分組數(shù)據(jù)單元(PDU)大小不同；另外，特定網(wǎng)絡(luò)采用特定的頻譜、雙工方式、調(diào)制編碼方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致所支持的業(yè)務(wù)速率也可能會有很大差異。因此，需要研究并設(shè)計(jì)適應(yīng)性非常好的GLL功能，從而保證較優(yōu)的包格式、速率匹配及業(yè)務(wù)質(zhì)量等需求。

另外，因?yàn)楫悩?gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)需要通過接入點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)、城域網(wǎng)等進(jìn)行通信，而設(shè)計(jì)一個(gè)支持高速吞吐量的通用接入點(diǎn)(AP)，可以有多種可選方案。一種為基于未來全I(xiàn)P網(wǎng)的概念，異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)(AP)可直接接入相應(yīng)的IP網(wǎng)邊緣路由器。另外一種方案融合無線城域網(wǎng)技術(shù)，將通用接入點(diǎn)作為WiMAX系統(tǒng)中的一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，通過WiMAX空中接口連接到骨干網(wǎng)。

2.4 業(yè)務(wù)的QoS保障機(jī)制

未來的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)必須能支持各種多媒體業(yè)務(wù)。不同的業(yè)務(wù)類型具有不同的服務(wù)質(zhì)量的要求，如視頻流等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對時(shí)延很敏感，要求的速率也很高，而一些文件的傳輸則相對能忍受更長的時(shí)延。鑒于業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)要求的多樣性，未來的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用有效的QoS保障機(jī)制，為各種具有不同時(shí)延、時(shí)延抖動、速率、丟包率等QoS要求的業(yè)務(wù)提供可接受的服務(wù)。按照上述的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，QoS的保障主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，同構(gòu)結(jié)點(diǎn)間的通信，如果必須經(jīng)由專用接入點(diǎn)，則專用接入點(diǎn)應(yīng)能在控制范圍內(nèi)保證結(jié)點(diǎn)通信的即時(shí)性和通信速率，限制差錯(cuò)率；若多個(gè)結(jié)點(diǎn)間可直接通信，則需要采用有效機(jī)制對它們之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，以提高通信效率和資源利用率。另一方面，對于異構(gòu)的通信實(shí)體，通用接入點(diǎn)應(yīng)能通過有效的資源管理方式以及對不同業(yè)務(wù)、不同結(jié)點(diǎn)的調(diào)度和控制以及其他的有效措施來保證所需的通信質(zhì)量，如盡量縮短異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的處理時(shí)延等。

QoS的支持不僅僅要考慮無線接入網(wǎng)，需要考慮端到端的通信。從整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)來看，它支持的QoS保證功能可分為3種類型，并形成相互獨(dú)立但有機(jī)關(guān)聯(lián)的3個(gè)平面：控制平面、數(shù)據(jù)平面和管理平面。

控制平面內(nèi)包含了一系列與用戶流量傳播路徑相關(guān)的控制功能。家庭網(wǎng)絡(luò)支持的控制平面QoS功能包括接納控制和資源預(yù)留。接納控制功能支持在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的入口處控制流量能否接入網(wǎng)絡(luò)。通常情況下的接入標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)策略驅(qū)動的決策過程，流量是否被接入取決于已經(jīng)協(xié)商確定的用戶服務(wù)的優(yōu)先等級。接納決策依賴于網(wǎng)絡(luò)中可用資源的多少和接入該流量后是否會影響已被接入到網(wǎng)絡(luò)中的其他流量的服務(wù)性能。接納控制機(jī)制確保服務(wù)提供者在和用戶的交易過程中協(xié)商確定的性能參數(shù)能夠得到滿足，同時(shí)能滿足用戶期望的(也是由服務(wù)提供者和用戶事先協(xié)商約定的)服務(wù)可用性和可靠性；對于用戶業(yè)務(wù)流量，連接接納控制分4種優(yōu)先等級：緊急服務(wù)(一般保留給應(yīng)急通信流量)、高優(yōu)先級、一般優(yōu)先級和盡力傳送。而資源預(yù)留機(jī)制支持高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的資源預(yù)留功能，支持認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)(AAA)，并能夠在多個(gè)服務(wù)提供者爭用資源時(shí)進(jìn)行仲裁。

數(shù)據(jù)平面內(nèi)包含的是直接涉及用戶流量的控制功能。家庭網(wǎng)絡(luò)支持的傳送平面QoS功能包括流量分類、分組標(biāo)記、流量整形和流量管制、排隊(duì)和調(diào)度、擁塞避免、緩存管理等。

管理平面內(nèi)包含的機(jī)制涉及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、管理等方面。家庭網(wǎng)絡(luò)的管理平面QoS控制功能包括流量計(jì)量和測量、策略管理等。

對于家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)而言，它最好支持策略執(zhí)行點(diǎn)(PEP)功能，并與接入網(wǎng)/廣域網(wǎng)內(nèi)的策略決策點(diǎn)(PDP)相互協(xié)同。PEP與PDP之間交換的策略信息可包括分組標(biāo)記、接納判決、用戶優(yōu)先級、顯式路由、分組丟棄、隊(duì)列帶寬分配、按需增值業(yè)務(wù)、對網(wǎng)絡(luò)擁塞的響應(yīng)動作等。

2.5 電磁兼容和異構(gòu)系統(tǒng)共存機(jī)制

系統(tǒng)共存的一個(gè)重要因素和頻率資源分配和干擾避免密切相關(guān)，這時(shí)就牽涉到不同系統(tǒng)間的資源協(xié)調(diào)控制?；诟兄獰o線電機(jī)制，家庭接入網(wǎng)的不同電子設(shè)備間的電磁干擾較少，但仍需要從理論上給出實(shí)際的異構(gòu)泛在無線家庭網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容和系統(tǒng)共存機(jī)制，確保相互之間的電磁干擾達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對于無線家庭網(wǎng)絡(luò)來說，其可使用的頻譜仍然沒有確認(rèn)。如果物理層采用UWB技術(shù)，則由于UWB設(shè)備需要在很寬的頻帶中與其他無線通信系統(tǒng)共存，UWB系統(tǒng)在防止受到其他系統(tǒng)干擾的同時(shí)，要保證其他系統(tǒng)的正常使用。這點(diǎn)是UWB技術(shù)能否順利推廣的重要因素。即使UWB設(shè)備能夠滿足相關(guān)頻率監(jiān)管部門的發(fā)射功率限制，仍需要規(guī)避某些敏感頻段^[5]。

基于UWB的無線家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共存和電磁兼容理論還有很多工作要做，如頻譜尚未劃分、發(fā)射功率的限制要求尚未確定、作為頻譜劃分依據(jù)的兼容性研究和測試技術(shù)尚不成熟、技術(shù)方案尚未選定等。

3 結(jié)束語

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)作為寬帶網(wǎng)絡(luò)的延伸和寬帶增值服務(wù)的擴(kuò)展，將為電信運(yùn)營商提供新的機(jī)遇。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)延伸入家庭的部分，是電信多業(yè)務(wù)運(yùn)營和管理的橋頭堡。利用數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，可延續(xù)和保證傳統(tǒng)電信運(yùn)營商的端到端業(yè)務(wù)及新業(yè)務(wù)的運(yùn)營。

目前，有關(guān)數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的中國標(biāo)準(zhǔn)化工作剛剛啟動，預(yù)計(jì)2009年能取得初步階段性成果。但是對于其無線接入機(jī)制，目前還沒有展開研究。傳統(tǒng)的集中控制的典型接入機(jī)制對于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)同樣適用，而傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品與帶寬的限制使各終端采用對等通信的方式將變得非常流行，所以無線Mesh機(jī)制將在未來的數(shù)字家庭接入網(wǎng)中占有重要地位?？紤]到未來網(wǎng)絡(luò)的泛在異構(gòu)性，本文專門提出了一種新型接入網(wǎng)架構(gòu)，并討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)。如何解決這些關(guān)鍵技術(shù)，是未來的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是未來無線寬帶通信系統(tǒng)的研究方向。

4 參考文獻(xiàn)

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[5] 彭木根， 黃標(biāo)， 王文博. 超寬帶通信技術(shù)干擾共存研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2005(8):61-66.

收稿日期：2006-05-10

作 者 簡 介

彭木根，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院畢業(yè)，博士，講師。長期從事第三代移動通信WCDMA和TD-SCDMA系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、無線資源管理算法、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化等方面的研究。已出版專著2部、譯著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。

姜涌，中國普天信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司終端事業(yè)本部副總裁，中國通信學(xué)術(shù)委員會委員，北京通信信息協(xié)會常務(wù)理事，北京電子學(xué)會常務(wù)理事。長期從事移動通信系統(tǒng)、終端的規(guī)劃、開發(fā)和制造。

王文博，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、電信工程學(xué)院院長。北京通信學(xué)會理事，青年工作委員會副主任，《北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)》編委，北京郵電大學(xué)學(xué)術(shù)委員會常務(wù)委員。長期從事移動通信無線傳輸理論和技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)理論、寬帶無線接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字信號處理與軟件無線電理論的研究。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，出版專著5部。